论文总字数：20409字

目 录

一、绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2多线圈电磁式振动发电机测试系统开发的意义 1

1.2.1 多线圈电磁式振动发电机的概念及发展现状 1

1.2.2 电磁式发电机测试技术研究现状 2

1.2.3 应用虚拟仪器编写测试系统的优点 4

1.3多线圈电磁式振动发电机测试系统欲解决的问题 4

二、多线圈电磁式振动发电机测试系统设计方案 5

2.1 系统总体设计 5

2.2 软件部分 5

2.3 选用的硬件设备 5

三 多线圈电磁式振动发电机测试系统各功能模块的设计 6

3.1通信模块 6

3.2读取模块 8

3.2.1读取数据函数 8

3.2.2读取数据的处理 9

3.2.3具体读取操作的实现 10

3.3配置模块 10

3.4显示模块 11

3.4.1 电压显示参数设置 11

3.4.2报警系统 12

3.4.3图表历史长度设定 13

3.5存储模块 13

3.5.1数据存储 13

3.5.2打开显示存储数据 14

3.6波峰检测模块 14

3.6.1波峰自动检测 15

3.6.2波峰手动检测 17

3.7应用模块 18

3.7.1相位差计算 18

3.7.2磁铁运动速度测量 19

四、多线圈电磁式振动发电机测试系统的测试 20

4.1数据显示正确性及配置参数表格工作性能的测试 20

4.2数据存储及读取的检测 22

4.2.1数据存储测试 22

4.2.2存储文件打开测试 24

4.3波峰检测的测试 24

4.4速度与相位差计算仿真与测试 26

4.4.1模型说明 26

4.4.2相位差及磁铁运动速度计算的测试 27

五、总结和展望 29

参考文献: 29

多线圈电磁式振动发电机测试系统的设计

李宏硕

, China

Abstract: It is important to save energy and develop clean energy by electromagnetic vibration generator to collect vibration energy in life. The design of multi-coil electromagnetic generator needs to be based on the waveform of output voltage of each coil. This paper has carried out research and development of multi-coil electromagnetic vibration generator test system development and design. Firstly, the research status and development trend of electromagnetic vibration generator are analyzed. Then, the status of signal acquisition system is analyzed and the convenience of software design is found. In order to solve this problem, the research contents and implementation scheme of this paper are established. The functional modules of the multi-coil electromagnetic vibration generator test system are determined and the phase of the signal of each channel of the multi-coil electromagnetic vibration generator is determined. To carry out analytical studies.
Key words: LabVIEW; coil; vibration generator; signal acquisition

一、绪论

1.1 研究背景

在当今社会对能源的需求量日益增多的背景下，人们都在寻找稳定绿色的可再生能源替代传统的能源供给模式，机械振动就是其中一种广泛存在于自然界及生产生活中的可再生能源。振动能有着收集装置可微型便携化、易于获取、可随时采集、能源可再生、绿色无污染等诸多优点,可广泛应用于众多领域，已成为现在电源研究的一大热点。如何更好更高效的完成振动能的收集就变得尤为重要。

1.2多线圈电磁式振动发电机测试系统开发的意义

1.2.1 多线圈电磁式振动发电机的概念及发展现状

电磁式振动发电机是一种依据电磁感应原理将机械能转变为电能的装置，可实现振动能量的收集,是当前较为普遍的发电装置。其工作原理是通过电磁场将机械能转化为电能。线圈附在振动质量块上，在固定磁体产生的磁场中，振动块振动使线圈与磁场产生相对运动时，通过线圈的磁通量会发生变化，根据法拉第定律，线圈内部产生电势差，从而生成电流，其过程不需额外电源参与^[1]。

关于机械能转换为电能的研究由来已久，从比较原始的手摇发电机到如今逐渐完善升级的“能量采集”技术，人类未停下探求的脚步。自然界的风能、潮汐能等可再生清洁能源在人类供能系统中所占的比重正逐渐加大。振动能量收集也是当前较热的一个研究课题。振动式发电主要分为电磁式、静电式和压电式三种。其中电磁式振动能量收集器从90年代起就一直得到关注和重视^[2]。为提高其性能指标，更好的应用到实际，电磁式振动能量收集器的结构在不断改进。

2007年，英国南安普顿大学的Beeby等人便发布论文称：他们已经研制出量级达到毫米级的电磁式振动能量收集器。其几何图如图1-1所示。这种振动能量收集器有体积小、能量转化率较高（可以达到30%）等特点，可保证无线传感网络节点供电。

图1-1电磁式能量振动收集器几何图

2012年，赵志刚等对一种动铁型电磁发电机的发电性能进行研究，他们提出硬磁-软磁复合结构，经实验证明，该种结构比单一磁体结构的发电效果要好。同等条件下，这种结构产生的电压高于单一磁体结构，约是其2倍^[3]。

由此可看出，电磁式振动能量收集器的应用范围广，优势明显，有可观的发展前景和应用价值。可以预测在未来的一段时间中会保持其研究开发热度。然而多线圈电磁式振动发电机在能量收集过程中，产生的感应电动势及电流普遍较小，需要多个线圈串联或并联来提高相应性能，这就产生了一系列问题^[4]。由于发电机各线圈电压信号间存在相位差，直接串并联可能会造成波形干涉抵消，达不到预期要求。因此需要对不同线圈电压信号的相位差进行测量处理。即需要相应的测量处理系统提供数据来支持振动能量的收集转化。

1.2.2 电磁式发电机测试技术研究现状

发电机的性能测试是发电机设计不可缺少的重要步骤，是发电机研究开发的依据。在显示输出电压电流等参数的同时，对多线圈电磁式振动发电机各通道输出波形相位的研究处理对发电机的性能研究至关重要。

例如，中国上海交通大学王佩红等人于2009年设计了一种三明治型电磁式能量收集器。其结构如图1-2所示，包括上线圈、下线圈以及中间由硅基平面镍弹簧和永磁体构成的拾振平台三大部分。当外界振动在垂直平面方向时，永磁体、弹簧振动系统会发生受迫振动，导致永磁体与线圈相对运动，从而改变线圈磁通量，上下线圈均会产生感应电动势。

图1-2结构图

用于能量采集器的实验样机性能测试系统框图如图1-3所示。输出电压测试方面，通过外接一个负载电阻，其负载两端的电压用示波器来记录，进而对输出功率进行分析处理。输出电压与频率关系如图1-4所示^[5]。负载两端电压及功率与负载电阻关系如图1-5所示。

图 1-3测试系统示意图

图1-4 输出电压与振动频率关系 图1-5 负载两端电压及功率与负载电阻关系

同时，上、下线圈输出电压测试结果如图1-6所示。从波形图可以看出，上下线圈的输出电压曲线存在相位差。单纯的串、并联可能造成输出功率的降低，由此可见，多路输出电压的波形检测和相位差的计算就很重要。

图 1-6 上、下线圈输出电压测试结果

现今对新型发电机性能的测试多利用示波器显示输出电压波形，但是一般示波器多为2通道，两个线圈的振动收集器或许还可以支持，但是3路或更多的输出电压就不能很好的加以显示。多路示波器价格昂贵^[6]，而关于其他方式的多线圈电磁式振动发电机的测试方式还未见相关报道，因此关于多线圈电磁式振动发电机测试软件的设计研发就显得非常有价值。

可以看出，电磁式振动能量收集器的研究应用范围较广，热度较大，技术上不断进步。然而当前振动采集方面的研究多是集中在采集器本身的设计方面，但是对发电机的测试大多采用软件仿真或外接一个负载电阻，通过示波器显示电阻的电压曲线，计算在外接负载上的功率这种模式。当前示波器通常只有2个通道，只能测试两个线圈的电压波形，而对于多线圈输出电压的测量由于多通道示波器价格昂贵就存在很大的局限^[7]。因此本课题拟将能量采集器收集到的多路电压信号间的相位差计算处理作为研究方向，从而为发电机的设计优化提供依据。

1.2.3 应用虚拟仪器编写测试系统的优点

自上世纪八十年代虚拟仪器问世以来，工程师们就已经将由NI公司开发的图形化开发工具labview广泛应用于产品测试开发的各个环节。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率^[8]。虚拟仪器应用图形编程语言，能够更直观将数据与程序体现给设计者，大大降低了设计难度，提高了其整体程序的直观性和可辨识度。虚拟仪器有如下四大优点：

1）性能高：虚拟仪器是以PC机为基础发展起来的，它能够很好的和PC机的优点相结合，即PC机技术的发展可以很好的代入到虚拟仪器中^[9]。同时，因特网和越来越发达的计算机网络技术可以很好的带动虚拟仪器的发展和进步。

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